Name: Funkcjonalna spektroskopia w bliskiej podczerwieni czuciowych i ruchowych obszarów mózgu z jednoczesnym monitorowaniem kinematycznym i EMG podczas zadań motorycznych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-12-05T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 31 s
Description: Poznaj funkcjonalną spektroskopię w bliskiej podczerwieni do badania aktywności obszarów czuciowych i ruchowych mózgu podczas zadań motorycznych. Metoda łączy fNIRS z monitorowaniem kinematycznym i EMG.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ten projekt został sfinansowany przez Intramural Research Program w National Institutes of Health Clinical Center. Dziękujemy za pomocne rozmowy z dr Thomasem Bulea i dr Laurie Ohlrich, PT w celu udoskonalenia procedur przedstawionych w tym protokole. Przy animacjach asystowali Muyinat W. Osoba i Andrew Gravunder, MS.

UWAGA: Ten protokół został zatwierdzony przez Institutional Review Board of the National Institutes of Health (identyfikator ClinicalTrials.gov: NCT01829724). Wszyscy uczestnicy mają możliwość zadawania pytań i wyrażania świadomej zgody przed wzięciem udziału. Biorąc pod uwagę zmiany w odpowiedzi hemodynamicznej spowodowane niedawnym stosowaniem leków rozszerzających i zwężających naczynia krwionośne, uczestnicy proszeni są o powstrzymanie się od alkoholu i kofeiny przez 24 godziny przed eksperymentem3. Te filmy animowane zostały wykonane na zamówienie w naszym laboratorium, ale można je nagrać z innymi dźwiękami lub obrazami specyficznymi dla alternatywnych pytań badawczych.
1. Przygotuj pokój przed przyjazdem uczestnika.
<ol>
	<li>Skalibruj kamery do przechwytywania ruchu względem współrzędnych laboratorium zgodnie z konkretnym procesem producenta przechwytywania ruchu. Upewnij się, że pozycje kamery pozwolą na nagrywanie wszystkich markerów zarówno na ciele, jak i na głowie uczestnika podczas zadań, które będą testowane. Proces kalibracji zapewnia dokładność systemu przechwytywania ruchu i jest standardową praktyką w każdym laboratorium ruchu. Korzystaj z systemu dziesięciu kamer o przybliżonej objętości 17m3, w którym można niezawodnie zidentyfikować znaczniki odblaskowe.</li>
	<li>Podłącz wyzwalacz z komputera instrukcji do wejść BNC komputerów motion capture i fNIRS. Upewnij się, że spust jest podłączony do przycisku myszy, a kliknięcie myszą zamyka obwód i wysyła impuls jednocześnie do karty przechwytywania ruchu/akwizycji danych EMG oraz do płytki akwizycji danych fNIRS jako pomocnicze wejścia analogowe.</li>
	<li>Podłącz tę mysz przez port USB do komputera, na którym wyświetlane są filmy animowane z instrukcjami, tak że uruchomienie wideo spowoduje zmianę napięcia jednocześnie w obu systemach akwizycji danych. 
	UWAGA: Sygnały EMG są automatycznie synchronizowane i zapisywane przez oprogramowanie do przechwytywania ruchu, więc dodatkowa synchronizacja systemu EMG nie jest potrzebna.</li>
	<li>Ustaw ekran i projektor tak, aby instrukcje były wyświetlane uczestnikowi. Usuń wszelkie niepotrzebne przedmioty, które mogą rozpraszać. Umieść statyw i cyfrową kamerę wideo w miejscu, w którym będą miały pełny widok na ruchy uczestnika.</li>
	<li>Sprawdź, czy znaczniki odblaskowe są bezpiecznie przymocowane do górnej części każdej opcji w sondzie.</li>
	<li>Zbierz wszystkie niezbędne dokumenty: na przykład kopie zgód i zgód, arkusze badań klinicznych i arkusze notatek eksperymentalnych.</li>
</ol>
2. Podstawowe środki
<ol>
	<li>Po zakończeniu procesu świadomej zgody zmierz i zapisz wzrost, wagę, wiek i obwód głowy uczestnika.</li>
	<li>Przeprowadzaj Edinburgh Handedness Inventory10 i inne badania kliniczne zgodnie ze wskazaniami. Rejestruj typy włosów i skóry zgłaszane przez uczestników.</li>
	<li>Umieść odblaskowe znaczniki na tylnych górnych kolcach biodrowych (PSIS) obustronnie. Poproś uczestnika, aby przeszedł przez laboratorium w swoim wygodnym tempie 3-5 razy i uśrednił prędkość w różnych próbach, aby oszacować wybrane przez siebie tempo chodzenia.</li>
</ol>
3. Konfiguracja funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni (fNIRS)
UWAGA: To może być wykonane jednocześnie z ustawieniem EMG i przechwytywania ruchu, jeśli jest wystarczająca liczba eksperymentatorów lub personelu badawczego do pomocy, i jeśli uczestnik czuje się komfortowo, gdy kilka osób jest blisko niego w tym samym czasie.
<ol>
	<li>Zmierz odległość między nasionem (Nz) a wcięciem (Iz) oraz między punktami przedusznymi na prawym (Ar) i lewym (Al) uchu. Przecięciem punktu środkowego tych dwóch miar jest Cz, który jest zaznaczony na skórze głowy za pomocą zmywalnego markera.</li>
	<li>Jeśli uczestnik ma długie włosy, odetnij małe porcje włosów za pomocą warkoczy lub kucyków, aby odsłonić skórę głowy, w której zostaną umieszczone optody.</li>
	<li>Umieść sondę fNIRS na głowie uczestnika, uważając, aby wyrównać się z Cz, Ar. Następnie odsuń włosy spod każdej optody, gdy jest ona umieszczana na skórze głowy. Na koniec przymocuj paski na rzepy, aby bezpiecznie utrzymać optody na miejscu. 
	UWAGA: W tym protokole użyj czapki, która ma jeden pasek biegnący za głową, jeden biegnący przez czoło i jeden biegnący pod brodą. Optody są zakotwiczone w tej nasadce za pomocą rzepu na elastycznym plastikowym pierścieniu, który otacza ucho.
	<ol>
		<li>Jeśli uczestnik ma krótkie włosy (mniej niż około 2 cale długości), wyciągnij włosy między optodami za pomocą małego cienkiego patyczka lub plastikowej końcówki grzebienia.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Sprawdź, czy wszystkie optodowe leżą płasko i czy optodowe są w przybliżeniu prostopadłe do powierzchni skóry głowy.
	<ol>
		<li>W razie potrzeby umieść cienki kawałek pianki pod grupą optodowych, aby ułatwić prostopadłe wyrównanie optod.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Porozmawiaj z uczestnikiem o komforcie sond i dostosuj je w razie potrzeby. Poinstruuj ich, aby powiedzieli eksperymentatorom, jeśli ich komfort zmniejszy się w dowolnym momencie eksperymentu.</li>
	<li>Włącz źródła i sprawdź sygnały.
	<ol>
		<li>W tym systemie należy zapewnić sygnał o natężeniu co najmniej 80 dB i wyraźnie widocznym biciu serca w sygnale deltaOD (zmiana gęstości optycznej), zarówno przy długości fali 690, jak i 830 nm. Gdy kanały mają sygnały, które nie spełniają tych kryteriów, upewnij się, że włosy nie blokują optody, a następnie dostosuj wzmocnienia detektora zgodnie z potrzebami, aby zmaksymalizować intensywność sygnału. Upewnij się, że kamery przechwytujące ruch są w tym czasie wyłączone. 
		UWAGA: Inne maszyny fNIRS mogą pracować na długościach fal innych niż 690 i 830 nm; W takim przypadku należy sprawdzić długości fal najbardziej odpowiednie dla używanej maszyny.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Dodaj odblaskowe znaczniki do Nz, Iz, Ar i Al. Poproś uczestnika, aby pozostał nieruchomo i zebrał około 2 sekundy danych przechwytywania ruchu dla tych i znaczników optodowych fNIRS. Sprawdź, czy wszystkie markery zostały zarejestrowane i w razie potrzeby zbierz dodatkowe próby. Może wymagać od uczestnika zmiany pozycji głowy w celu poprawy linii wzroku między kamerami a znacznikami. Wykorzystaj te zebrane trójwymiarowe lokalizacje podczas analizy do probabilistycznej rejestracji indywidualnego strukturalnego rezonansu magnetycznego uczestnika, jeśli jest dostępny.</li>
	<li>Dodaj osłonę z kilkoma warstwami czarnego filcu lub innego materiału optycznie absorbującego na wierzch optodów fNIRS, aby chronić czujniki przed zakłóceniami lub nasyceniem z kamer przechwytujących ruch. Upewnij się, że i panel przedni urządzenia fNIRS są również dobrze ekranowane przy użyciu tego samego materiału pochłaniającego optycznie.</li>
</ol>
4. Konfiguracja elektromiografii powierzchniowej (EMG)
<ol>
	<li>Zlokalizuj brzuch każdego docelowego mięśnia, korzystając z anatomicznych punktów orientacyjnych, badania palpacyjnego podczas skurczu mięśni i wskazówek dotyczących umieszczania elektrod11. 
	UWAGA: Mięśnie objęte tym protokołem obejmują obustronny brzuchaty łydki przyśrodkowy, piszczel przedni, mięsień prosty uda, mięsień obszerny boczny, biceps uda, prostownik nadgarstka promieniowego i zginacz nadgarstka promieniowego.</li>
	<li>Przygotuj się do umieszczenia elektrody EMG na brzuchu mięśniowym poprzez golenie, usunięcie martwych komórek naskórka taśmą, a następnie oczyszczenie wacikiem nasączonym alkoholem izopropylowym, zgodnie z zaleceniami SENIAM12 i poczekaj, aż skóra wyschnie.</li>
	<li>Umieść elektrodę EMG zorientowaną w kierunku włókien mięśniowych.</li>
	<li>Owiń szczelnie samoprzylepną chustą.</li>
	<li>Sprawdzaj sygnały mięśniowe na komputerze podczas wykonywania ręcznych testów mięśniowych, aby zapewnić prawidłowe umieszczenie elektrod i przejrzystą wizualizację zmiany sygnału, gdy mięsień jest aktywny.</li>
</ol>
5. Ustawienia przechwytywania ruchu
<ol>
	<li>Umieść odblaskowe znaczniki w wspólnych punktach orientacyjnych. Należą do nich kostka przyśrodkowa i boczna, staw kolanowy przyśrodkowy i boczny, przedni górny kręgosłup biodrowy (ASIS), tylny górny kręgosłup biodrowy (PSIS), rylcowaty promieniowy, syloid łokciowy, nadkłykieć przyśrodkowy kości ramiennej i nadkłykieć boczny kości ramiennej.</li>
	<li>Umieść 3 lub więcej znaczników lub sztywną grupę znaczników na każdym interesującym nas segmencie, w tym na stopie, podudziu, udzie i przedramieniu.</li>
	<li>Zbierz około 2 sekundy danych przechwytywania ruchu, gdy uczestnik stoi nieruchomo w standardowej pozycji, na przykład stojąc z rękami w zgięciu ramion pod kątem 90° i zgięciem łokci pod kątem 90°. Upewnij się, że wszystkie znaczniki są wyraźnie widoczne dla kamer</li>.
</ol>
6. Zadanie chodu
<ol>
	<li>Poproś uczestnika o przeniesienie się na bieżnię. Pomóż im, podtrzymując optodowe fNIRS, a następnie przymocuj do wspornika sufitowego, gdy pacjent znajdzie się na miejscu. Jeśli pacjent jest narażony na wysokie ryzyko upadków, należy użyć uprzęży podtrzymującej ciężar ciała dla bezpieczeństwa podczas tego zadania.</li>
	<li>Uruchom bieżnię, powoli zwiększając ją do zmierzonej, samodzielnie wybranej prędkości chodu, aby uczestnik poczuł się komfortowo w ustawionych warunkach. Następnie ponownie zwolnij, aż się zatrzyma.</li>
	<li>Skonfiguruj plik animacji z dźwiękową informacją zwrotną, która wskaże uczestnikowi odpoczynek lub ruch. Przejrzyj z uczestnikiem instrukcje dotyczące zadania, mówiąc mu, aby pozostał tak spokojny i zrelaksowany, jak to tylko możliwe w okresach "odpoczynku" oraz aby chodził z prędkością ustaloną przez bieżnię w okresie "zadania", jednocześnie skupiając swoją uwagę na małym czarnym kółku na ekranie na czas pozyskiwania danych.</li>
	<li>Przyciemnij światła i rozpocznij zbieranie danych na komputerze przechwytywania ruchu i komputerze fNIRS. Rozpocznij nagrywanie na kamerze wideo.</li>
	<li>Za pomocą spustu myszy kliknij przycisk odtwarzania na pliku animacji powiązanym z tym zadaniem. Upewnij się, że wyzwalacz został odebrany zarówno przez system przechwytywania ruchu, jak i NIRS.
	<ol>
		<li>Przełącz się na obraz czarnej kropki znajdującej się w polu wzroku uczestnika, tak aby miał on punkt ostrości na czas trwania badania. 
		UWAGA: Schemat poglądowy dla każdej próby jest pokazany na rysunku 2.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Monitoruj wydajność uczestników i w razie potrzeby przekazuj informacje zwrotne na temat prędkości lub zewnętrznych dobrowolnych ruchów.</li>
	<li>Na końcu animacji instruktażowej zatrzymaj nagrywanie w systemach motion capture, EMG i fNIRS, a także w kamerze wideo. Daj uczestnikowi możliwość odpoczynku lub zmiany pozycji, jeśli to konieczne.</li>
</ol>
7. Obustronne zadanie rowerowe kończyn dolnych
<ol>
	<li>Poproś uczestnika, aby przeszedł na cokół z ruchomym oparciem pleców i nóg, uważając, aby podeprzeć optodowe fNIRS i nie uderzyć ani nie przesunąć znaczników przechwytywania ruchu lub elektrod EMG. Posiadaj piankową poduszkę do siedzenia, aby poprawić komfort podczas eksperymentu.</li>
	<li>Podnieś ramę roweru na miejsce i przymocuj ją do cokołu za pomocą paska.</li>
	<li>Przymocuj stopy do pedałów i w razie potrzeby dostosuj pozycję roweru, aby zapewnić wygodną i naturalną odległość od pedałów. W najdalszym punkcie cyklu utrzymuj kolano w około 10° zgięcia. 
	UWAGA: W tym momencie uczestnik będzie w pozycji półleżącej, która zapewnia pewne podparcie tułowia i ułatwia relaks w okresie odpoczynku.</li>
	<li>Omów z uczestnikiem instrukcje dotyczące zadania, mówiąc mu, aby pozostał tak nieruchomy i zrelaksowany, jak to tylko możliwe w okresach "odpoczynku" i aby jeździł na rowerze z prędkością około 60 obr./min podczas okresu "zadania".</li>
	<li>Powtórz kroki od 6.4 do 6.7. Zamiast przełączać się na obraz kropki, wyświetl animację kreskówkową, która wskaże uczestnikowi odpoczynek lub poruszanie się dzięki wizualnym i dźwiękowym informacjom zwrotnym. Zmaksymalizuj okno filmu, aby uczestnik nie był w stanie monitorować czasu, który upłynął lub pozostał do końca bieżącego badania.</li>
</ol>
8. Zadanie ściskania dłoni
<ol>
	<li>Po zdjęciu stóp z cyklu i samego cyklu, należy postawić stolik nocny przed uczestnikiem, upewniając się, że ramiona uczestnika są podparte na stole w wygodnej pozycji.</li>
	<li>Poinstruuj uczestnika, aby ściskał miękki przedmiot mniej więcej raz na sekundę (1 Hz) w okresie "zadania" i pozostał tak zrelaksowany, jak to możliwe w okresach "odpoczynku".</li>
	<li>Powtórz krok 7.5.</li>
</ol>
9. Zadanie w zgięciu grzbietowym kostki
<ol>
	<li>Zdejmij stolik nocny i podnieś część podnóżka cokołu do góry, aby stopy znalazły się w polu widzenia uczestnika.</li>
	<li>Zdejmij but i skarpetę uczestnika, a następnie umieść znaczniki stóp w odpowiednich pozycjach. Podeprzyj łydkę tuż nad stawem skokowym za pomocą piankowej podkładki, aby umożliwić ruch stawu skokowego.</li>
	<li>Poinstruuj uczestnika, aby zgiął kostkę grzbietowo mniej więcej raz na sekundę (1 Hz) w okresie "zadania" i pozostał tak zrelaksowany, jak to możliwe w okresach "odpoczynku".</li>
	<li>Powtórz krok 7.5.</li>
</ol>
10. Zawarcie protokołu
<ol>
	<li>Zdejmij nasadkę i sprawdź skórę pod kątem ucisku lub zaczerwienienia.</li>
	<li>Usuń wszystkie znaczniki odblaskowe i aparaty EMG.</li>
	<li>Podziękuj uczestnikowi za poświęcony czas i poproś go o wypowiedź na temat subiektywnych doświadczeń związanych z protokołem. Może to być formalny kwestionariusz (używany przez Garveya i współpracowników do przezczaszkowej stymulacji magnetycznej13) lub nieformalna dyskusja w celu zidentyfikowania typowych źródeł dyskomfortu, które można poprawić w przyszłości.</li>
</ol>

<ol><li>Suzuki, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prefrontal+and+premotor+cortices+are+involved+in+adapting+walking+and+running+speed+on+the+treadmill%3A+an+optical+imaging+study%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Prefrontal and premotor cortices are involved in adapting walking and running speed on the treadmill: an optical imaging study.</a> Neuroimage. 23 (3), 1020-1026 (2004).</li>
<li>Leff, D. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessment+of+the+cerebral+cortex+during+motor+task+behaviours+in+adults%3A+a+systematic+review+of+functional+near+infrared+spectroscopy+%28fNIRS%29+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Assessment of the cerebral cortex during motor task behaviours in adults: a systematic review of functional near infrared spectroscopy (fNIRS) studies.</a> Neuroimage. 54 (4), 2922-2936 (2011).</li>
<li>Orihuela-Espina, F., Leff, D. R., James, D. R., Darzi, A. W., Yang, G. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quality+control+and+assurance+in+functional+near+infrared+spectroscopy+%28fNIRS%29+experimentation%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Med+Biol%22%5BJournal%5D)">Quality control and assurance in functional near infrared spectroscopy (fNIRS) experimentation.</a> Phys Med Biol. 55 (13), 3701-3724 (2010).</li>
<li>Pellicer, A., Bravo Mdel, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Near-infrared+spectroscopy%3A+a+methodology-focused+review%5BTitle%5D)+AND+%22Semin+Fetal+Neonatal+Med%22%5BJournal%5D)">Near-infrared spectroscopy: a methodology-focused review.</a> Semin Fetal Neonatal Med. 16 (1), 42-49 (2011).</li>
<li>Wolf, M., Ferrari, M., Quaresima, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Progress+of+near-infrared+spectroscopy+and+topography+for+brain+and+muscle+clinical+applications%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Progress of near-infrared spectroscopy and topography for brain and muscle clinical applications.</a> J Biomed Opt. 12 (6), 062104(2007).</li>
<li>Tian, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantification+of+functional+near+infrared+spectroscopy+to+assess+cortical+reorganization+in+children+with+cerebral+palsy%5BTitle%5D)+AND+%22Opt+Express%22%5BJournal%5D)">Quantification of functional near infrared spectroscopy to assess cortical reorganization in children with cerebral palsy.</a> Opt Express. 18 (25), 25973-25986 (2010).</li>
<li>Koenraadt, K. L., Duysens, J., Smeenk, M., Keijsers, N. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multi-channel+NIRS+of+the+primary+motor+cortex+to+discriminate+hand+from+foot+activity%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neural+Eng%22%5BJournal%5D)">Multi-channel NIRS of the primary motor cortex to discriminate hand from foot activity.</a> J Neural Eng. 9 (4), 046010(2012).</li>
<li>Khan, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Identification+of+abnormal+motor+cortex+activation+patterns+in+children+with+cerebral+palsy+by+functional+near-infrared+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Identification of abnormal motor cortex activation patterns in children with cerebral palsy by functional near-infrared spectroscopy.</a> J Biomed Opt. 15 (3), 036008(2010).</li>
<li>Tian, F., Alexandrakis, G., Liu, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimization+of+probe+geometry+for+diffuse+optical+brain+imaging+based+on+measurement+density+and+distribution%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Opt%22%5BJournal%5D)">Optimization of probe geometry for diffuse optical brain imaging based on measurement density and distribution.</a> Appl Opt. 48 (13), 2496-2504 (2009).</li>
<li>Oldfield, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+assessment+and+analysis+of+handedness%3A+the+Edinburgh+inventory%5BTitle%5D)+AND+%22Neuropsychologia%22%5BJournal%5D)">The assessment and analysis of handedness: the Edinburgh inventory.</a> Neuropsychologia. 9 (1), 97-113 (1971).</li>
<li>Delagi, E. F., Perotto, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anatomic+guide+for+the+electromyographer--the+limbs%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Anatomic guide for the electromyographer--the limbs.</a> , 2nd edn, Thomas. (1980).</li>
<li>Hermens, H. J., Freriks, B., Disselhorst-Klug, C., Rau, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+recommendations+for+SEMG+sensors+and+sensor+placement+procedures%5BTitle%5D)+AND+%22J+Electromyogr+Kinesiol%22%5BJournal%5D)">Development of recommendations for SEMG sensors and sensor placement procedures.</a> J Electromyogr Kinesiol. 10 (5), 361-374 (2000).</li>
<li>Garvey, M. A., Kaczynski, K. J., Becker, D. A., Bartko, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Subjective+reactions+of+children+to+single-pulse+transcranial+magnetic+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22J+Child+Neurol%22%5BJournal%5D)">Subjective reactions of children to single-pulse transcranial magnetic stimulation.</a> J Child Neurol. 16 (12), 891-894 (2001).</li>
<li>Huppert, T. J., Diamond, S. G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((HomER%3A+a+review+of+time-series+analysis+methods+for+near-infrared+spectroscopy+of+the+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Opt%22%5BJournal%5D)">HomER: a review of time-series analysis methods for near-infrared spectroscopy of the brain.</a> Appl Opt. 48 (10), 280-298 (2009).</li>
<li>Boas, D. A. HOMER2. , Available from:
 
 <a target="_blank" href="http://www.nmr.mgh.harvard.edu/DOT/resources/homer2/home.htm">http://www.nmr.mgh.harvard.edu/DOT/resources/homer2/home.htm</a> (2012).</li>
<li>Jasdzewski, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Differences+in+the+hemodynamic+response+to+event-related+motor+and+visual+paradigms+as+measured+by+near-infrared+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Differences in the hemodynamic response to event-related motor and visual paradigms as measured by near-infrared spectroscopy.</a> Neuroimage. 20 (1), 479-488 (2003).</li>
<li>Plichta, M. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Event-related+functional+near-infrared+spectroscopy+%28fNIRS%29%3A+are+the+measurements+reliable%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Event-related functional near-infrared spectroscopy (fNIRS): are the measurements reliable.</a> Neuroimage. 31 (1), 116-124 (2006).</li>
<li>Hervey, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photonic+Therapeutics+and+Diagnostics+IX%5BTitle%5D)+AND+%22SPIE%22%5BJournal%5D)">Photonic Therapeutics and Diagnostics IX.</a> SPIE. , (2013).</li>
<li>Sanger, T. D., Delgado, M. R., Gaebler-Spira, D., Hallett, M., Mink, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Classification+and+definition+of+disorders+causing+hypertonia+in+childhood%5BTitle%5D)+AND+%22Pediatrics%22%5BJournal%5D)">Classification and definition of disorders causing hypertonia in childhood.</a> Pediatrics. 111 (1), 89-97 (2003).</li>
<li>Eyre, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Is+hemiplegic+cerebral+palsy+equivalent+to+amblyopia+of+the+corticospinal+system%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Neurol%22%5BJournal%5D)">Is hemiplegic cerebral palsy equivalent to amblyopia of the corticospinal system.</a> Ann Neurol. 62 (5), 493-503 (2007).</li>
<li>Maegaki, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Central+motor+reorganization+in+cerebral+palsy+patients+with+bilateral+cerebral+lesions%5BTitle%5D)+AND+%22Pediatr+Res%22%5BJournal%5D)">Central motor reorganization in cerebral palsy patients with bilateral cerebral lesions.</a> Pediatr Res. 45 (4 pt 1), 559-567 (1999).</li>
<li>Hoon, A. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sensory+and+motor+deficits+in+children+with+cerebral+palsy+born+preterm+correlate+with+diffusion+tensor+imaging+abnormalities+in+thalamocortical+pathways%5BTitle%5D)+AND+%22Dev+Med+Child+Neurol%22%5BJournal%5D)">Sensory and motor deficits in children with cerebral palsy born preterm correlate with diffusion tensor imaging abnormalities in thalamocortical pathways.</a> Dev Med Child Neurol. 51 (9), 697-704 (2009).</li>
<li>Yoshida, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+diffusion+tensor+tractography+of+the+motor+and+sensory+tract+in+children+with+cerebral+palsy%5BTitle%5D)+AND+%22Dev+Med+Child+Neurol%22%5BJournal%5D)">Quantitative diffusion tensor tractography of the motor and sensory tract in children with cerebral palsy.</a> Dev Med Child Neurol. 52 (10), 935-940 (2010).</li>
<li>Lotze, M., Sauseng, P., Staudt, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+relevance+of+ipsilateral+motor+activation+in+congenital+hemiparesis+as+tested+by+fMRI-navigated+TMS%5BTitle%5D)+AND+%22Exp+Neurol%22%5BJournal%5D)">Functional relevance of ipsilateral motor activation in congenital hemiparesis as tested by fMRI-navigated TMS.</a> Exp Neurol. 217 (2), 440-443 (2009).</li>
<li>Phillips, J. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ankle+dorsiflexion+fMRI+in+children+with+cerebral+palsy+undergoing+intensive+body-weight-supported+treadmill+training%3A+a+pilot+study%5BTitle%5D)+AND+%22Dev+Med+Child+Neurol%22%5BJournal%5D)">Ankle dorsiflexion fMRI in children with cerebral palsy undergoing intensive body-weight-supported treadmill training: a pilot study.</a> Dev Med Child Neurol. 49 (1), 39-44 (2007).</li>
<li>Wilke, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Somatosensory+system+in+two+types+of+motor+reorganization+in+congenital+hemiparesis%3A+topography+and+function%5BTitle%5D)+AND+%22Hum+Brain+Mapp%22%5BJournal%5D)">Somatosensory system in two types of motor reorganization in congenital hemiparesis: topography and function.</a> Hum Brain Mapp. 30 (3), 776-788 (2009).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Jednoczesne gromadzenie aktywności mózgu z wybranych obszarów kory mózgowej i danych ilościowych o tym, jak porusza się dana osoba, stanowi ogromny potencjał dla lepszego zrozumienia neuronalnej kontroli ruchu, zarówno w typowo rozwijającej się populacji, jak i u osób z zaburzeniami ruchowymi. Istnieje również szerokie zastosowanie pod względem wieku i zadań ruchowych, które można wykonać, ponieważ uczestnicy nie są ograniczeni do pozycji leżącej, tak jak w przypadku funkcjonalnego rezonansu magnetycznego. Konkretne elem...

Obrazowanie neuronowe podczas zadań funkcjonalnych stało się bardziej przenośne i opłacalne dzięki zastosowaniu nieinwazyjnej funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni (fNIRS) do identyfikacji obszarów aktywności mózgu poprzez pomiar dynamiki przepływu krwi w korze mózgowej. Przenośność fNIRS jest szczególnie przydatna w badaniu zadań pionowych i funkcjonalnych, takich jak chód1, co nie jest możliwe w przypadku innych technologii, takich jak funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (fMRI). Ta zdolność ma kluczowe znaczenie w dziedzinie neurologii i neuronauki i może dostarczyć nowych informacji na temat mechanizmów leżących u podstaw zaburzeń ruchowych u dzieci i dorosłych z porażeniem mózgowym (MPD) i innymi schorzeniami neurologicznymi wpływającymi na kontrolę motoryczną. Zrozumienie mechanizmów zwiększa zdolność do projektowania skutecznych interwencji ukierunkowanych na źródło upośledzenia i ograniczeń aktywności.
Wiele dotychczasowych badań fNIRS nad zadaniami motorycznymi przeprowadzono na zdrowej populacji dorosłych, gdzie uczestnicy są instruowani, aby wykonać określone zadanie, a monitorowanie wykonania zadania ogranicza się do oględzin. Może to być wystarczające dla osób z typowymi ruchami i wysokim poziomem zaangażowania, ale nie jest dopuszczalne w przypadku uczestników z zaburzeniami ruchowymi lub tych, którzy mają trudności z wykonaniem zadania przez dłuższy czas, w tym typowo rozwijających się dzieci. Aby dostarczyć informacji do analizy aktywacji mózgu w takich przypadkach, wymagane jest jednoczesne monitorowanie wzorca motorycznego, który jest faktycznie zakończony.
W literaturze2-5 przedstawiono kompleksowe przeglądy systemów i zastosowań fNIRS, które kierują użytkowaniem i pomagają wykazać dokładność i czułość tych systemów, ale problemy techniczne w zbieraniu, przetwarzaniu i interpretacji danych fNIRS nadal pozostają. Kolor i grubość włosów wpływają na jakość sygnału optycznego, przy czym ciemne, grube włosy najprawdopodobniej blokują lub zniekształcają transmisję optyczną3,6. Jest to szczególnie istotne podczas badania obszarów sensomotorycznych znajdujących się w obszarze korony głowy, gdzie gęstość mieszków włosowych jest największa, a niektóre badania donoszą o osobach niereagującychna leczenie 6,7. Dobrze znany międzynarodowy system 10/20 może być używany do umieszczania optod, ale szczególnie w przypadku osób z nietypową anatomią mózgu, jednoczesna rejestracja lokalizacji optody do anatomicznego rezonansu magnetycznego uczestnika jest bardzo przydatna, jeśli nie niezbędna do dokładnej interpretacji wyników.
Użycie fNIRS do oceny aktywacji mózgu w dziecięcym urazie mózgu jest stosunkowo nowe, ale zyskuje na popularności w obszarze jednostronnego porażenia mózgowego6,8,9. Biorąc pod uwagę wyżej wymienione wyzwania, protokół ten łączy w sobie fNIRS, przechwytywanie ruchu i monitorowanie elektromiograficzne (EMG) podczas wielu zadań, w tym prostych zadań jednostawowych, a także bardziej złożonych ruchów całego ciała. Wskazówki wizualne i słuchowe są wykorzystywane do poprawy uwagi i wydajności zadań w każdym wieku uczestników. Celem protokołu jest zidentyfikowanie różnic we wzorcach aktywacji mózgu u osób z jednostronnym i obustronnym uszkodzeniem mózgu w dzieciństwie w porównaniu z osobami, które zwykle się rozwijają. Badamy ruch całego ciała (chód), obustronny ruch wielostawowy kończyny dolnej (jazda na rowerze) oraz dwa jednostronne ruchy pojedynczego stawu (izolowane zgięcie grzbietowe kostki i izolowane ściskanie dłoni), aby zilustrować różnorodność zastosowań tych metod. Ten sam lub bardzo podobny protokół może być wykorzystany do badania innych zaburzeń sensorycznych lub ruchowych lub innych interesujących zadań.
Ciągłe światło podczerwone zostało wyemitowane i wykryte przy 690 nm i 830 nm przez korę sensomotoryczną za pomocą systemu fNIRS z częstotliwością 50 Hz, przy użyciu specjalnie zaprojektowanej konfiguracji źródła-detektora. Dane EMG zbierano bezprzewodowo z częstotliwością 1000 Hz. Lokalizacje 3D markerów odblaskowych były zbierane przez optyczny system przechwytywania ruchu z częstotliwością 100 Hz. Dwa różne komputery zajmowały się akwizycją danych, jeden dla fNIRS, a drugi dla przechwytywania ruchu i EMG. Dane były synchronizowane za pomocą impulsu wyzwalającego z trzeciego komputera, który odpowiada naciśnięciu przycisku myszy w celu uruchomienia animacji instruktażowej dla każdego zadania. Dla wszystkich zadań z wyjątkiem chodu animacje instruktażowe zostały zaprojektowane w celu ujednolicenia wyników uczestników za pomocą wizualnego kierowania tempem zadania (1 Hz), reprezentowanego przez skaczące lub kopiące zwierzę z kreskówki, a także wskazówkę dźwiękową.

<table><tbody><tr><td>Maszyna CW6</td><td>TechEn</td><td>http://nirsoptix.com/</td> <td>fNIRS ze zmienną liczbą źródeł i detektorów, w zależności od ilości dołączonych modułów</td></tr><tr><td>System MX z dziesięcioma kamerami serii T40</td><td>Vicon Motion Systems Ltd., Oksford, Wielka Brytania</td><td>http://www.vicon.com/System/TSeries</td><td>Kamery do przechwytywania ruchu</td></tr><tr><td>odblaskowe znaczniki 4 mm</td><td>Vicon Motion Systems Ltd., Oksford, Wielka Brytania</td><td></td><td>Znaczniki używane przez kamery przechwytywania ruchu do lokalizowania optodów fNIRS, Ar, Al, Nz i współrzędnych dłoni.</td></tr><tr><td>odblaskowe znaczniki 9,5 mm</td><td>Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, Wielka Brytania</td><td></td><td>Znaczniki używane przez kamery do przechwytywania ruchu do lokalizowania współrzędnych rąk i nóg. Klastry są używane dla segmentów kończyn, a markery z przesunięciami są używane dla PSIS i Iz w celu poprawy niezawodności przechwytywania danych.</td></tr><tr><td>Bezprzewodowy system EMG Trigno</td><td>Delsys, Inc. Natick, MA</td><td>http://www.delsys.com/products/wireless-emg/</td> <td>Elektromiografia</td></tr><tr><td>Bieżnia oprzyrządowana z dzielonym pasem Bertec</td><td>Corporation, Columbus, OH</td><td>http://bertec.com/products/instrumented-treadmills.html</td><td></td></tr><tr><td>Bieżnia System wspomagania masy ciała ZeroG</td><td>Aretech, LLC, Ashburn, VA</td><td>http://www.aretechllc.com/overview.html</td><td>Tor i wózek pasywny służący do podtrzymywania, wiązka przewodów może być używana dla bezpieczeństwa pacjenta podczas prób chodu</td></tr><tr><td>3DS Max 2013</td><td>Autodesk, Inc., San Francisco, CA&nbsp;</td><td>http://www.autodesk.com/</td> <td>Oprogramowanie do animacji 3D używane do animowania zwierząt do filmów instruktażowych</td></tr><tr><td>Windows Movie Maker</td><td>Microsoft Corporation, Redmond, WA</td><td>http://windows.microsoft.com/en-us/windows-live/movie-maker</td><td>oprogramowanie służące do łączenia materiału animowanego z muzyką</td></tr><tr><td>Audacity</td><td>open source</td><td>http://audacity.sourceforge.net/</td> <td>Oprogramowanie używane do zmiany rytmu muzycznego do odpowiedniej kadencji</td></tr></tbody></table>

funkcjonalna spektroskopia w bliskiej podczerwieni czuciowych i ruchowych obszarów mózgu z jednoczesnym monitorowaniem kinematycznym i emg podczas zadań motorycznych

Functional Near Infrared Spectroscopy of the Sensory and Motor Brain Regions with Simultaneous Kinematic and EMG Monitoring During Motor Tasks

Istnieje kilka zalet, które funkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwieni (fNIRS) prezentuje w badaniu neuronalnej kontroli ruchu człowieka. Jest stosunkowo elastyczny w odniesieniu do pozycjonowania uczestników i pozwala na pewne ruchy głowy podczas zadań. Dodatkowo jest niedrogi, lekki i przenośny, z bardzo niewielkimi przeciwwskazaniami do jego stosowania. Stanowi to wyjątkową okazję do zbadania funkcjonalnej aktywności mózgu podczas zadań motorycznych u osób, które zazwyczaj się rozwijają, a także u osób z zaburzeniami ruchowymi, takimi jak porażenie mózgowe. Dodatkową kwestią braną pod uwagę podczas badania zaburzeń ruchowych jest jednak jakość faktycznie wykonywanych ruchów i możliwość wystąpienia dodatkowych, niezamierzonych ruchów. W związku z tym konieczne jest jednoczesne monitorowanie zarówno zmian przepływu krwi w mózgu, jak i rzeczywistych ruchów ciała podczas badania, w celu właściwej interpretacji wyników fNIRS. Tutaj pokazujemy protokół połączenia fNIRS z monitorowaniem mięśni i kinematyki podczas zadań motorycznych. Badamy chód, jednostronny ruch wielostawowy (jazda na rowerze) i dwa jednostronne ruchy jednostawowe (izolowane zgięcie grzbietowe kostki i izolowane ściskanie dłoni). Przedstawione techniki mogą być przydatne w badaniu zarówno typowej, jak i nietypowej kontroli motorycznej i mogą być modyfikowane w celu zbadania szerokiego zakresu zadań i pytań naukowych.

Niniejszy protokół koordynuje jednoczesne pozyskiwanie danych z 3 modalności w celu rejestracji przepływu krwi w mózgu, elektrycznej aktywności mięśni oraz kinematyki ruchu stawów podczas wykonywania przez uczestnika zadań motorycznych (Rysunek 1).
<img alt="Schemat aktywności mózgu; mapowanie kory; kolorowe obszary neuronalne; wizualizacja danych topograficznych." src="/files/ftp_upload/52391/52391fig1highres.jpg" data-altupdatedat="17876...

Monitorowanie aktywności mózgu podczas wykonywania zadań motorycznych w pozycji pionowej jest bardzo przydatne podczas badania neuronalnego źródła zaburzeń ruchowych. Tutaj demonstrujemy protokół, który łączy funkcjonalną spektroskopię w bliskiej podczerwieni z ciągłym monitorowaniem aktywności mięśniowej i kinematycznej podczas 4 rodzajów zadań motorycznych.

Funkcjonalna spektroskopia w bliskiej podczerwieni czuciowych i ruchowych obszarów mózgu z jednoczesnym monitorowaniem kinematycznym i EMG podczas zadań motorycznych

There are several advantages that functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) presents in the study of the neural control of human movement. It is ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest zademonstrowanie zastosowania funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni nad obszarami sensorycznymi i motorycznymi mózgu przy jednoczesnym monitorowaniu kinematycznym i EMG podczas różnych zadań motorycznych. Zostaje to osiągnięte poprzez najpierw umieszczenie optodów fNIRS na głowie uczestnika i ich wyrównanie z punktem CZ oraz punktami przedusznymi. Drugim krokiem jest umieszczenie elektrod EMG nad brzuszkami mięśni docelowych oraz markerów refleksyjnych na punktach anatomicznych.Następnie należy jednocześnie zbierać dane z fNIRS i systemów analizy ruchu podczas wykonywania przez uczestnika zadań motorycznych. Ostatecznie fNIRS służy do identyfikacji różnic w wzorcach aktywacji mózgu u osób z jednostronnym i obustronnym uszkodzeniem mózgu w dzieciństwie oraz u osób rozwijających się typowo. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak fMRI, jest to, że pozwala ona na badanie realizacji zadań w pozycji pionowej i funkcjonalnych, takich jak chód.Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie neurorehabilitacji, takie jak: w jaki sposób mózg reorganizuje się po urazie i jakie są konsekwencje tego urazu dla wykonywania zadań motorycznych? Zastosowanie tej techniki w badaniu zaburzeń ruchowych pozwala nam mierzyć aktywność mózgu przy jednoczesnym ilościowym określaniu ruchów zamierzonych, jak i niezamierzonych, za pomocą systemów motion capture oraz elektromiografii. Zazwyczaj osoby początkujące w tej metodzie napotykają trudności, ponieważ prawidłowa konfiguracja wymaga starannego przygotowania włosów oraz precyzyjnego rozmieszczenia ners optos w celu uzyskania optymalnej jakości sygnału.W demonstracji dzisiejszej procedury pomogą nam dr Ann Zary Gallagher, fizjoterapeutka badawcza w naszym laboratorium, oraz pan Robinson, stypendysta badawczy NIH. Opiszemy teraz procedury związane z gromadzeniem danych N. Wyjaśnij uczestnikowi procedury eksperymentalne i uzyskaj świadomą zgodę.Następnie przeprowadź badanie preferencji manualnej według kwestionariusza Edynburskiego (Edinburgh handedness inventory) oraz inne badania kliniczne, a także odnotuj typ włosów i skóry uczestnika. Zmierz i zapisz wzrost, wagę oraz wiek uczestnika. Następnie rozpocznij procedurę od pomiaru obwodu głowy, odległości między nasion a inion oraz odległości między punktami przedusznymi prawego i lewego ucha.Punkt przecięcia środków dwóch ostatnich pomiarów to cz, który zaznacza się na skórze głowy za pomocą zmywalnego markera, rozgarniając włosy wzdłuż linii NAS oraz ian. Jeśli uczestnik ma długie włosy, należy je utrwalić w formie warkoczy lub kucyków, aby odsłonić skórę głowy w miejscu, w którym zostaną umieszczone optody. Następnie należy przyłożyć sondę F nears do głowy uczestnika, dbając o wyrównanie jej z punktami CZ i AR al.Następnie należy umieścić optody bezpośrednio na skórze głowy, upewniając się, że włosy nie blokują kontaktu. Jest to kluczowy krok, ponieważ włosy mogą pogorszyć jakość sygnału. Następnie należy przymocować rzepy, aby stabilnie utrzymać optody na miejscu.Należy upewnić się, że wszystkie kable optyczne leżą płasko, a optody są prostopadłe do powierzchni skóry głowy. W razie potrzeby pod grupę kabli optycznych należy podłożyć cienki kawałek pianki, aby ułatwić prostopadłe ustawienie optodów. Następnie należy sprawdzić, czy natężenie światła mierzone przez wszystkie detektory wynosi co najmniej 80 decybeli, a w sygnale delta OD dla obu długości fal, 690 i 830 nanometrów, wyraźnie widoczne jest tętno.Jeśli kryteria te nie zostaną spełnione, należy sprawdzić włosy i upewnić się, że nie blokują one optodów. Następnie, w razie potrzeby, należy dostosować wzmocnienie detektora, aby zmaksymalizować intensywność sygnału. Następnie należy umieścić markery odblaskowe na NZ ar al i iz u uczestnika.Poproś uczestnika o pozostanie w bezruchu i zbierz około dwóch sekund danych z systemu przechwytywania ruchu dla tych markerów oraz markerów F nears opto. Następnie nałóż osłonę z kilku warstw czarnego filcu lub innego materiału pochłaniającego światło na f nears optos. Aby chronić detektory przed zakłóceniami lub nasyceniem sygnału z kamer systemu przechwytywania ruchu, upewnij się, że kable oraz przedni panel jednostki F nears są również odpowiednio osłonięte tym samym materiałem pochłaniającym światło.W celu rozmieszczenia elektrod i przygotowania skóry zastosowano wytyczne Sentium. Na tym etapie należy zlokalizować brzusiec każdego z docelowych mięśni, korzystając z punktów orientacyjnych anatomii, palpacji podczas skurczu mięśnia oraz instrukcji rozmieszczenia elektrod. Następnie należy umieścić elektrody EMG w orientacji zgodnej z kierunkiem włókien mięśniowych.Następnie umieść markery refleksyjne w punktach anatomicznych stawów. Zbierz około dwóch sekund danych z systemu analizy ruchu, gdy uczestnik stoi z ramionami w 90 stopniach zgięcia w stawie ramiennym i 90 stopniach zgięcia w stawie łokciowym. Teraz pomóż uczestnikowi podejść do bieżni, podtrzymując kable optyczne F nears, a następnie przymocuj kable do wspornika sufitowego.Gdy uczestnik znajdzie się w odpowiedniej pozycji, należy go poinstruować, aby podczas okresów odpoczynku pozostawał w bezruchu i był maksymalnie zrelaksowany, a w trakcie wykonywania zadania szedł z wcześniej określoną prędkością chodu, skupiając uwagę na małym czarnym kółku na ekranie podczas akwizycji danych. Następnie należy przyciemnić światła i rozpocząć akwizycję danych na komputerze systemu motion capture oraz komputerze F nears. Odtwórz plik animacji przypisany do tego zadania.Zmaksymalizuj okno tak, aby obraz czarnego punktu znajdował się w linii wzroku uczestnika, który będzie jego punktem skupienia przez cały czas trwania próby. Monitoruj wyniki uczestnika i w razie potrzeby przekazuj uwagi dotyczące prędkości lub nadmiarowych ruchów dobrowolnych.Po zakończeniu animacji instruktażowej należy zatrzymać rejestrację w systemach motion capture, EMG oraz F fne. Należy umożliwić uczestnikowi odpoczynek lub zmianę pozycji w razie potrzeby. W tym zadaniu należy przenieść uczestnika na kozetkę z regulowanym podparciem pleców i nóg.Należy pamiętać o podparciu kabli optycznych w pobliżu kostek i uważać, aby nie przesunąć markerów do przechwytywania ruchu ani elektrod EMG. Poinstruuj uczestnika, aby podczas okresów odpoczynku pozostawał w możliwie najstabilniejszej i zrelaksowanej pozycji, a podczas wykonywania zadania pedałował z częstotliwością około 60 RPM. Następnie wyświetl animację, która za pomocą sygnałów wizualnych i dźwiękowych informuje uczestnika o konieczności odpoczynku lub ruchu, maksymalizując okno odtwarzacza, aby uczestnik nie mógł monitorować upływającego czasu.Następnie należy ustawić stolik przed uczestnikiem, upewniając się, że jego ramiona spoczywają na blacie w wygodnej pozycji. Potem należy poinstruować uczestnika, aby w trakcie okresu zadania ściskał miękki przedmiot z częstotliwością jednego razu na sekundę, a w okresach odpoczynku pozostawał w możliwie największym rozluźnieniu. Po tym zabiegu należy usunąć stolik i podnieść podnóżek plintu tak, aby stopy uczestnika znajdowały się w jego polu widzenia.Poleć uczestnikowi zginanie grzbietowe stawu skokowego z częstotliwością jednego ruchu na sekundę w trakcie okresu zadania oraz zachowanie maksymalnego rozluźnienia podczas okresów odpoczynku. Po zakończeniu sesji zdejmij nasadkę. Wszystkie znaczniki odblaskowe i elektrody EMG przedstawione tutaj są przykładami rekonstrukcji szkieletu, kątów stawowych oraz EMG. W przypadku zadania zgięcia grzbietowego lewej strony, okres zadania podczas pokazanej próby rozpoczyna się około 4,5 sekundy i trwa do 19,5 sekundy.U tej prawidłowo rozwijającej się 13-letniej osoby ruchomość stawów poza docelowym lewym stawem skokowym jest bardzo ograniczona. Ponadto mięśnie pozostają zazwyczaj w spoczynku podczas wykonywania zadania, jak i w okresach odpoczynku, z wyjątkiem mięśnia piszczelowego przedniego, który wspomaga ruch. Oto przykład mapy aktywacji fNIRS; podczas zadania zrywania grzbietowego lewej stopy ten niebieski prostokąt obrysowuje przybliżony obszar pomiarowy.Rysunek ten przedstawia średnią odpowiedź oksyhemoglobiny w okresie od pięciu do 10 sekund po rozpoczęciu ruchu zgięcia grzbietowego lewego stawu skokowego u jednego, typowo rozwijającego się nastolatka. Kolory niebieskie reprezentują brak aktywacji, natomiast obszary czerwone wskazują regiony zwiększonego poziomu oksyhemoglobiny podczas okresów wykonywania zadania. Po opanowaniu techniki, procedura ta może zostać przeprowadzona w około dwie godziny, jeśli jest wykonywana prawidłowo. Należy pamiętać, że praca ze światłem bliskiej podczerwieni może być niebezpieczna, dlatego podczas wykonywania tej procedury należy zawsze zachować środki ostrożności, takie jak ochrona oczu badaczy i uczestników przed źródłami światła.Po zastosowaniu tej procedury można przeprowadzić inne metody, takie jak korejestracja z anatomicznymi obrazami MRI oraz wyznaczenie regresorów z danych kinematycznych i EMG. Pozwala to na udzielenie odpowiedzi na dodatkowe pytania, takie jak precyzyjna lokalizacja aktywności mózgu oraz neuralne źródła aktywności niezamierzonej.Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiąść gruntowną wiedzę na temat tego, jak integrować narzędzia do monitorowania ruchu z pomiarami ners w celu badania aktywacji w obszarach sensorycznych i motorycznych mózgu podczas wykonywania zadań ruchowych.

functional-near-infrared-spectroscopy-sensory-motor-brain-regions

Research

JoVE Journal

Behavior

Zachowanie

Spektroskopia funkcjonalna w podczerwieni dla regionów zmysłowych i ruchowych mózgu z jednoczesnym monitorowaniem kinematycznym i EMG podczas zadań motorycznych

W niniejszym opracowaniu opisujemy metodę zbierania i analizy danych dla funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni (fNIRS), nowatorskiego nieinwazyjnego systemu obrazowania mózgu stosowanego w neuronauce poznawczej, w szczególności w badaniach nad rozwojem mózgu dziecka. Metoda ta zapewnia uniwersalny standard akwizycji i analizy danych, który jest kluczowy dla interpretacji wyników oraz odkryć naukowych.

Badanie funkcji poznawczych u niemowląt, dzieci i dorosłych z wykorzystaniem spektroskopii bliskiej podczerwieni

MazeSuite to kompletny zestaw narzędzi do przygotowywania, przeprowadzania i analizowania eksperymentów nawigacyjnych i przestrzennych. Funkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwieni (fNIR) jest optyczną techniką obrazowania mózgu, która umożliwia nieinwazyjne i przenośne monitorowanie zmian w utlenowaniu krwi mózgowej. Niniejszy artykuł podsumowuje wspólne zastosowanie MazeSuite i fNIR w paradygmacie uczenia się procesów poznawczych.

Wykorzystanie MazeSuite i funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni do badania uczenia się w nawigacji przestrzennej

Źródło: Reindl, V., et al. Przeprowadzanie eksperymentów hiperskaningowych z funkcjonalną spektroskopią w bliskiej podczerwieni. J. Vis. Exp. (2019) Ten film pokazuje zastosowanie funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni (fNIRS) do pomiaru aktywności mózgu podczas interakcji społecznych. Uczestnicy angażują się w skoordynowane zadanie, które zwiększa aktywność w korze przedczołowej, regionie krytycznym dla zachowań społecznych, podczas gdy system wykrywa zmiany w absorpcji światła...

Funkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwieni do rejestrowania aktywności mózgu podczas interakcji społecznych

Opracowanie skutecznego systemu interfejsu mózg-maszyna-(BMI) do przywracania i rehabilitacji dwunożnej lokomocji wymaga dokładnego dekodowania intencji użytkownika.  W tym miejscu przedstawiamy nowatorski protokół eksperymentalny i technikę zbierania danych do jednoczesnego nieinwazyjnego nabywania aktywności neuronalnej, aktywności mięśni i kinematyki całego ciała podczas różnych zadań i warunków lokomocyjnych.

Jednoczesna elektroencefalografia skóry głowy (EEG), elektromiografia (EMG) i segmentalny zapis inercyjny całego ciała do multimodalnego dekodowania neuronalnego

Prezentujemy metodę porównywania funkcjonalnej aktywności mózgu zarejestrowanej podczas zadania naturalistycznego przy użyciu fNIRS z aktywnością zarejestrowaną podczas fMRI.

Walidacja fMRI pomiarów fNIRS podczas zadania naturalistycznego

W tym artykule przedstawiono nowatorski, tani interfejs człowiek-maszyna do interaktywnego systemu rehabilitacji równowagi po udarze. System integruje gotowe, niedrogie czujniki w kierunku wolicjonalnie sterowanego paradygmatu elektroterapii. Interfejs oprogramowania typu proof-of-concept jest demonstrowany na zdrowych ochotnikach.

Interfejs człowiek-maszyna integrujący niedrogie czujniki z systemem stymulacji elektrycznej nerwowo-mięśniowej do rehabilitacji równowagi po udarze

Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna, elektromiografia i przechwytywanie ruchu 3D są powszechnie stosowanymi nieinwazyjnymi technikami badania funkcji nerwowo-mięśniowych u ludzi. W tym artykule opisujemy protokół, który synchronicznie próbkuje dane generowane przez wszystkie trzy z tych narzędzi wraz z unikalnym dodatkiem prezentacji bodźców rzeczywistości wirtualnej i informacji zwrotnych.

Wielofunkcyjny zestaw do badania kontroli motorycznej człowieka za pomocą przezczaszkowej stymulacji magnetycznej, elektromiografii, przechwytywania ruchu i rzeczywistości wirtualnej

Monitorowanie aktywności mózgu poza laboratorium bez fizycznych ograniczeń stanowi wyzwanie metodologiczne. Bezwłóknowy, nadający się do noszenia system funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni (fNIRS) został wykorzystany do pomiaru aktywności mózgu podczas ekologicznego zadania pamięci prospektywnej. Wykazano, że system ten może być wykorzystywany do monitorowania aktywności mózgu podczas eksperymentów nielaboratoryjnych.

Wykorzystanie bezwłóknistego, ubieralnego fNIRS do monitorowania aktywności mózgu w rzeczywistych zadaniach poznawczych

Opisujemy analizę eksperymentu z funkcjonalną spektroskopią bliskiej podczerwieni z wykorzystaniem konstrukcji blokowej z zadaniem sensomotorycznym. Aby zwiększyć wiarygodność analizy danych, zastosowaliśmy jakościowe ogólne mapowanie parametryczne oparte na ogólnym modelu liniowym oraz porównawcze hierarchiczne modele mieszane dla wielu kanałów.

Jakościowe i porównawcze analizy danych dotyczących aktywności kory mózgowej z eksperymentu funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni z zastosowaniem projektowania blokowego

Prezentujemy metodę jednoczesnego zbierania sygnałów fMRI i fNIRS od tych samych osób z pokryciem fNIRS całej głowy. Protokół został przetestowany na trzech młodych osobach dorosłych i może być dostosowany do zbierania danych do badań rozwojowych i populacji klinicznych.

Jednoczesne zbieranie danych z pomiarów fMRI i fNIRS przy użyciu matrycy optodowej całej głowicy i kanałów o krótkich odległościach

Szacuje się, że 1 na 6 osób na całym świecie dozna udaru mózgu w swoim życiu, powodując długotrwałą niepełnosprawność, której mechanizmy rehabilitacji są nadal słabo poznane. W badaniu tym zaproponowano protokół oceny aktywacji mózgu za pomocą funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni (fNIRS) podczas sesji terapii robotycznej kończyn dolnych.

Eksperyment z wykorzystaniem funkcjonalnej spektroskopii w bliskiej podczerwieni i wspomaganych przez robota wielostawowych ruchów wskazujących kończyny dolnej

Poznaj funkcjonalną spektroskopię w bliskiej podczerwieni do badania aktywności obszarów czuciowych i ruchowych mózgu podczas zadań motorycznych. Metoda łączy fNIRS z monitorowaniem kinematycznym i EMG.

Funkcjonalna spektroskopia w bliskiej podczerwieni czuciowych i ruchowych obszarów mózgu z jednoczesnym monitorowaniem kinematycznym i EMG podczas zadań motorycznych (Wideo) | JoVE Journal

Funkcjonalna spektroskopia w bliskiej podczerwieni czuciowych i ruchowych obszarów mózgu z jednoczesnym monitorowaniem kinematycznym i EMG podczas zadań motorycznych

Przeglądaj więcej filmów